АНАЛИЗ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЙ ЭКСПРЕССИИ ГЕНОВ СОИ КАК ОСНОВА ДЛЯ РАЗРАБОТКИ ГЕНЕТИЧЕСКИХ МАРКЕРОВ СКОРОСПЕЛОСТИ

  • Alexander I. Katyshev Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Сибирский институт физиологии и биохимии растений Сибирского отделения Российской академии наук http://orcid.org/0000-0001-7856-0460
  • Natalia B. Katysheva Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Сибирский институт физиологии и биохимии растений Сибирского отделения Российской академии наук http://orcid.org/0000-0002-5847-1695
  • Irina V. Fedoseeva Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Сибирский институт физиологии и биохимии растений Сибирского отделения Российской академии наук http://orcid.org/0000-0001-6529-9304
  • Anatoly V. Pomortsev Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Сибирский институт физиологии и биохимии растений Сибирского отделения Российской академии наук
  • Nikolay V. Dorofeev Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Сибирский институт физиологии и биохимии растений Сибирского отделения Российской академии наук http://orcid.org/0000-0002-0005-0134
Ключевые слова: соя (Glycine max (L.) Merr.), скороспелость, экспрессия генов, транскрипционные факторы

Аннотация

Обоснование. Одной из наиболее ценных в хозяйственном отношении сельскохозяйственных культур является соя (Glycine max (L.) Merr.). Интерес к этой культуре у аграриев связан с тем, что соя широко используется как продовольственная, кормовая и техническая культура. Соя является короткодневным растением, чувствительным к интенсивности освещения и продолжительности дня. В связи с этим сорта сои занимают ограниченный ареал возделывания и имеют высокую продуктивность в узком диапазоне агроклиматических условий. Поскольку для условий Иркутской области на сегодняшний день нет рекомендованных сортов сои к возделыванию, представляется важным разработать маркеры скороспелых сортов и сортообразцов сои, способных давать стабильный урожай в условиях длинного светового режима и сниженной суммы активных температур.

Цель. Целью данной работы был сравнительный анализ уровней экспрессии генов – потенциальных молекулярных маркеров скороспелости сои в различающихся по скороспелости сортах и сортообразцах сои. В исследование были взяты представляющие на наш взгляд наиболее перспективные с этой точки зрения гены на основе полученных нами ранее данных, а также на основе литературных данных.

Материалы и методы. Растения сои сортообразцов №15, 3169/14 и сортов Алтом и Вилана для экспериментов выращивались в контролируемых условиях станции искусственного климата «Фитотрон» на базе СИФИБР СО РАН. Растения выращивались индивидуально в вегетационных сосудах при температурном режиме: день/ночь – 22/16°С; фотопериод – день/ночь - 16,5/7,5 часов; освещенность – 500 µmol*m-2*s-1; влажность – 60%. Для выделения РНК отбирали не развитые до конца вторые тройчатые листья  растений сои. РНК с помощью реактивов из набора GeneJET Plant RNA Purification Mini Kit (ThermoScientific, Литва), согласно инструкции производителя.

Синтез первой цепи кДНК осуществляли с использованием набора реак-тивов ThermoScientific (Литва), согласно рекомендациям фирмы производителя.

ПЦР-РВ проводили на приборе CFX96™ Real-Time PCR Detection System (Bio-Rad, США), используя набор реактивов qPCR mix-HS SYBR (Евроген, Россия), согласно инструкции производителя. Анализ данных ПЦР-РВ проводили с помощью программного обеспечения SFX Manager (Bio-Rad, Германия). Все эксперименты проводились  в двух аналитических и трех биологических повторностях. В качестве референсного гена использовали ген, кодирующий актин – Act11.

Результаты. С помощью метода ПЦР в реальном времени показано, что из числа исследованных нами генов повышенные уровни экспрессии в скороспелых сортообразцах сои по сравнению с таковыми на стадии V2 – начала развития второго тройчатого листа  сои – в позднеспелых сортах наблюдаются преимущественно для генов, кодирующих транскрипционные факторы, преимущественно, содержащие MADS-box. Из этой группы генов в качестве потенциальных маркеров скороспелости сои  наиболее перспективными представляются  гены, кодирующие ортологи SEP3 арабидопсиса. Отдельно стоит отметить наблюдаемую в нашей работе повышенную в тысячи раз экспрессию гена с неизвестной функцией – ортолога MEE18 арабидопсиса в более скороспелых генотипах сои. Такая гиперэкспрессия этого гена должна определять фенотипические различия между сортами и сортообразцами сои, возможно, и скороспелость растений. Помимо показанной более высокой экспрессии в скороспелых сортообразцах сои хорошо известных регуляторных генов, вовлеченных в реализацию перехода растений от вегетативной к генеративной фазе развития, отдельный интерес представляет выявленная нами повышенное содержание транскрипта гена, возможное участие которого в созревании растений сои пока не показано – гена секойсоларицирезинол дегидрогеназы. Все вышеперечисленные гены являются потенциальными кандидатами в молекулярные маркеры селекции скороспелых сортов и сортообразцов сои, выращиваемых в условиях длинного светового дня Иркутской области.

Заключение. Таким образом, в результате проведенных исследований выявлены гены сои, экспрессия которых достоверно повышена в более скороспелых сортах и сортообразцах сои на стадии V2 развития растений, предшествующей стадии бутонизации, Очевидно, что те гены, функция которых по литературным данным связана с регуляцией процессов цветения, являются перспективными молекулярными маркерами скороспелости растений сои.

Биографии авторов

Alexander I. Katyshev, Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Сибирский институт физиологии и биохимии растений Сибирского отделения Российской академии наук

канд. биол. наук, старший научный сотрудник лаборатории физиологической генетики

Natalia B. Katysheva, Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Сибирский институт физиологии и биохимии растений Сибирского отделения Российской академии наук

канд. биол. наук, научный сотрудник лаборатории физиолого-биохимической адаптации растений

Irina V. Fedoseeva, Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Сибирский институт физиологии и биохимии растений Сибирского отделения Российской академии наук

канд. биол. наук, старший научный сотрудник лаборатории физиологической генетики

Anatoly V. Pomortsev, Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Сибирский институт физиологии и биохимии растений Сибирского отделения Российской академии наук

канд. биол. наук, научный сотрудник лаборатории физиолого-биохимической адаптации растений

Nikolay V. Dorofeev, Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Сибирский институт физиологии и биохимии растений Сибирского отделения Российской академии наук

канд. биол. наук, заместитель директора

Литература

Katysheva N.B., Pomortsev A.V., Dorofeev N.V., Sokolova L.G., Zorina S. Yu., Katyshev A.I. Sravnitelnaya kharakteristika prodolzhitelnosti vegetatsionnogo perioda razlichnykh sortov i sortoobraztsov soi v usloviyakh Irkutskoy oblasti s tselyu vybora kontrastnykh po priznaku skorospelosti [Comparative characteristics of the duration of the growing season of different varieties and varieties of soybeans in the Irkutsk region in order to select contrasting according to early maturity]. Aktualnye problemy nauki Pribaykalya. Sbornik statey [Actual problems of science in the Baikal region. Digest of articles]. Executive editors I.V. Bychkov, A.L. Kazakov. Irkutsk, 2020, pp. 109-112.

Lukomets V.М., Zelentsov S.V., Krivoshlykov K.M. Perspektivy i rezervy rasshireniya proizvodstva maslichnykh kultur v Rossiyskoy Federatsii [Prospects and reserves for expanding the production of oilseeds in the Russian Federation]. Maslichnye kultury [Oil Crops], 2015, no. 4 (164), pp. 81-102.

Ainsworth E.A., Yendrek C.R., Skoneczka J.A., Long S.P. Accelerating yield potential in soybean: potential targets for biotechnological improvement. Plant Cell Environment, 2012, vol. 35, no. 1, pp. 38-52. https://doi.org/10.1111/j.1365-3040.2011.02378.x

Bencke-Malato M., Cabreira C., Wiebke-Strohm B., Bücker-Neto L., Mancini E., Osorio M.B., Homrich M.S., Turchetto-Zolet A.C., De Carvalho M.C., Stolf R., Weber R.L., Westergaard G., Castagnaro A.P., Abdelnoor R.V., Marcelino-Guimarães F.C., Margis-Pinheiro M., Bodanese-Zanettini M.H. Genome-wide annotation of the soybean WRKY family and functional characterization of genes involved in response to Phakopsora pachyrhizi infection. BMC Plant Biology, 2014, vol. 14, pp. 236. https://doi.org/10.1186/s12870-014-0236-0

Brandt R., Salla-Martret M., Bou-Torrent J., Musielak T., Stahl M., Lanz C., Ott F., Schmid M., Greb T., Schwarz M., Choi S.B., Barton M. K., Reinhart B.J., Liu T., Quint M., Palauqui J.C., Martínez-García J.F., Wenkel S. Genome-wide binding-site analysis of REVOLUTA reveals a link between leaf patterning and light-mediated growth responses. Plant Journal, 2012, vol. 72, no. 1, pp. 31–42. https://doi.org/10.1111/j.1365-313X.2012.05049.x

Cai Y., Chen L., Liu X., Guo C., Sun S., Wu C., Jiang B., Han T., Hou W. CRISPR/Cas9-mediated targeted mutagenesis of GmFT2a delays flowering time in soya bean. Plant Biotechnology Journal, 2018, vol. 16, no. 1, pp. 176–185. https://doi.org/10.1111/pbi.12758

Destro D., Carpentieri-Pipolo V., Kiihl R.A.S., Almeida L.A. Photoperiodism and genetic control of the long juvenile period in soybean: a review. Crop Breeding and Applied Biotechnology, 2001, vol. 1, no. 1, pp. 72–92. https://doi.org/10.13082/1984-7033.V01N01A10

Fudge J.B., Lee R.H., Laurie R.E., Mysore K.S., Wen J., Weller J.L., Macknight R.C. Medicago truncatula SOC1 Genes Are Up-regulated by Environmental Cues That Promote Flowering. Frontiers in Plant Science, 2018, vol. 9, article number: 496. https://doi.org/10.3389/fpls.2018.00496

Guo H., Yang H., Mockler T.C., Lin C. Regulation of flowering time by Arabidopsis photoreceptors. Science, 1998, vol. 279, no. 5355, pp. 1360-1363. https://doi.org/10.1126/science.279.5355.1360

Gupta S., Bhatia V., Kumawat G., Thakur D., Singh G., Tripathi R., Chand S. Genetic analyses for deciphering the status and role of photoperiodic and maturity genes in major Indian soybean cultivars. Journal of Genetics, 2017, vol. 96, pp. 147–154. https://doi.org/10.1007/s12041-016-0730-2

Ha C.V., Watanabe Y., Tran U.T, Le D.T., Tanaka M., Nguyen K.H., Seki M., Nguyen D.V., Tran L.-S. Comparative analysis of root transcriptomes from two contrasting drought-responsive Williams 82 and DT2008 soybean cultivars under normal and dehydration conditions. Frontiers in Plant Science, 2015, vol. 6, article number: 551. https://doi.org/10.3389/fpls.2015.00551

Kim M.Y., Shin J.H., Kang Y.J., Shim S.R., Lee S.-H. Divergence of flowering genes in soybean. Journal of Bioscience, 2012, vol. 37, pp. 857–870. https://doi.org/10.1007/s12038-012-9252-0

Li F., Asami T., Wu X., Tsang E.W.T., Cutler A.J. A putative hydroxys-teroid dehydrogenase involved in regulating plant growth and development. Plant Physiology, 2007, vol. 145, no. 1, pp. 87-97. https://doi.org/10.1104/pp.107.100560

Lin R., Glazebrook J., Katagiri F., Orf J.H., Gibson S.L. Identification of difeerentially expressed genes between developing seeds of different soybean culti-vars. Genomic Data, 2015, vol. 6, pp. 92-98. https://doi.org/10.1016/j.gdata.2015.08.005

Liu W., Jiang B., Ma L., Zhang S,, Zhai H., Xu X., Hou W., Xia Z., Wu C., Sun S., Wu T., Chen L., Han T. Functional diversification of Flowering Locus T homologs in soybean: GmFT1a and GmFT2a/5a have opposite roles in controlling flowering and maturation. New Phytologist, 2018, vol. 217, no. 3, pp. 1335–1345. https://doi.org/10.1111/nph.14884

Mao T., Li J., Wen Z., Wu T., Wu C., Sun S., Jiang B., Hou W., Li W., Song Q., Wang D., Han T. Association mapping of loci controlling genetic and environmental interaction of soybean flowering time under various photo-thermal conditions. BMC Genomics, 2017, vol. 18, article number: 415. https://doi.org/10.1186/s12864-017-3778-3

Mutasa-Göttgens E., Hedden P. Gibberellin as a factor in floral regulatory networks. Journal of Experimental Botany, 2009, vol. 60, no. 7, pp. 1979-1989. https://doi.org/10.1093/jxb/erp040

Pelaz S., Gustafson-Brown C., Kohalmi S.E., Crosby W.L., Yanofsky M.F. APETALA1 and SEPALLATA3 interact to promote flower development. Plant Journal, 2001, vol. 26, no. 4, pp. 385-394. https://doi.org/10.1046/j.1365-313x.2001.2641042.x

Schmutz J., Cannon S.B., Schlueter J., Ma J., Mitros T., Nelson W., Hyten D., Song Q., Thelen J.J., Cheng J. et al. Genome sequence of the palaeopolyploid soybean. Nature, 2010, vol. 463, pp. 178–183. https://doi.org/10.1038/nature08670

Song Y. H., Ito S., Imaizumi T. Similarities in the circadian clock and photoperiodism in plants. Current Opinions in Plant Biology, 2010, vol. 13, no. 5, pp. 594-603. https://doi.org/10.1016/j.pbi.2010.05.004

Tripathi P., Rabara R.C., Rushton P.J. Transcriptomics analyses of soy-bean leaf and root samples during water-deficit. Genomics data, 2015, vol. 5, pp. 164-166. https://doi.org/10.1016/j.gdata.2015.05.036

Wan Q., Chen S., Shan Z., Yang Z., Chen L., Zhang C., et al. Stability evaluation of reference genes for gene expression analysis by RT-qPCRin soybean under different conditions. PLoS ONE, 2017, vol. 12, no. 12, e0189405. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0189405

Wang Y., Gu,Y., Gao H., Qiu L., Chang R., Chen S., He C. Molecular and geographic evolutionary support for the essential role of GIGANTEAa in soy-bean domestication of flowering time. BMC Evolutionary Biology, 2016, vol. 16, article number: 79. https://doi.org/10.1186/s12862-016-0653-9

Watanabe S., Xia Z., Hideshima R., Tsubokura Y., Sato S., Yamanaka N., Takahashi R., Anai T., Tabata S., Kitamura K. A map-based cloning strategy employing a residual heterozygous line reveals that the GIGANTEA gene is involved in soybean maturity and flowering. Genetics, 2011, vol. 188, no. 2, pp. 395-407. https://doi.org/10.1534/genetics.110.125062

Wigge P.A., Kim M.C., Jaeger K.E., Busch W., Schmid M., Lohmann J.U., Weigel D. Integration of spatial and temporal information during floral induc-tion in Arabidopsis. Science, 2005, vol. 309, no. 5737, pp. 1056-1059. https://doi.org/10.1126/science.1114358

Wilkerson G., Jones J., Boote K., Buol G. Photoperiodically sensitive interval in time to flower of soybean. Crop Science, 1989, vol. 29, no. 3, pp. 721–726. https://doi.org/10.2135/cropsci1989.0011183X002900030037x

Xu M.L., Xu Z.H., Liu B.H., Kong F.J., Tsubokura Y., Watanabe S., Xia Z.J., Harada K., Kanazawa A., Yamada T., Abe J. Genetic variation in four maturity genes affects photoperiod insensitivity and PHYA-regulated post-flowering responses of soybean. BMC Plant Biology, 2013, vol. 13, article number: 91. https://doi.org/10.1186/1471-2229-13-91

Yadav R.K., Chattopadhyay D. Differential soybean gene expression during early phase of infection with Mungbean yellow mosaic India virus. Molecular Biology Reports, 2014, vol. 41, pp. 5123-5134. https://doi.org/10.1007/s11033-014-3378-0

Zeng X., Liu H., Du H., Wang S., Yang W., Chi Y., Wang J., Huang F., Yu D. Soybean MADS-box gene GmAGL1 promotes flowering via the photoperiod pathway. BMC Genomics, 2018, vol. 19, article number: 51. https://doi.org/10.1186/s12864-017-4402-2

Zhang C., Lin C., Fu F., Zhong X., Peng B., Yan H. et al. Comparative transcriptome analysis of flower heterosis in two soybean F1 hybrids by RNA-seq. PLoS ONE, 2017, vol. 12, article number: e0181061. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0181061

Опубликован
2021-02-28
Как цитировать
Katyshev, A., Katysheva, N., Fedoseeva, I., Pomortsev, A., & Dorofeev, N. (2021). АНАЛИЗ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЙ ЭКСПРЕССИИ ГЕНОВ СОИ КАК ОСНОВА ДЛЯ РАЗРАБОТКИ ГЕНЕТИЧЕСКИХ МАРКЕРОВ СКОРОСПЕЛОСТИ. Siberian Journal of Life Sciences and Agriculture, 13(1), 35-57. https://doi.org/10.12731/2658-6649-2021-13-1-35-57
Раздел
Биологические исследования